基于系统辨识的液体材料声参数估计方法研究

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液体材料的无损检测在石油化工、食品产业和医药卫生领域具有重要的意义。超声无损检测技术作为液体材料检测的一种重要方法,在工业中得到了广泛的应用。超声检测主要是通过超声脉冲回波实验,测量声波在液体中传输的各次回波,通过对回波特性的分析,实现对液体材料声参数(声速、声衰减、声阻抗等)的估计,进而可以对液体材料的物理特性做出判断。为了得到液体中精确、可靠的声参数值,需要对估计方法进行研究。目前常用的方法主要包括过零点检测法、非参数模型法和参数模型法等。本文通过建立液体介质的参数化模型,利用系统辨识的方法对包含液体超声传播特性的参数模型进行辨识,最后利用模型传递函数实现对液体中声参数的估计。具体研究工作如下:1.将系统学理论应用在液体声特性的研究中,将声波在液体中的传播抽象为一个非线性系统,声波在液体中的一次和二次回波分别作为非线性系统的输入和输出信号,利用最小二乘法对系统进行参数化建模。2.利用超声脉冲回波实验,对生理盐水溶液的超声回波进行了实验测试,以实验测试回波为基础,通过系统辨识的方法,得到了表征生理盐水溶液中声学传输特性的系统传递函数,并对系统函数的有效性进行了分析。3.推导了系统传递函数与液体声速的解析表达式,并利用系统辨识得到的系’统函数表达式实现了对生理盐水溶液声速的估计,并将结果与非参数模型法进行了对比,结果显示参数模型法对生理盐水声速的估计精度较高,而且该方法还可避免非参数模型法在进行傅里叶变换过程中的由于相位展开而引起的误差。4.超声脉冲实验中,容器壁对超声波传播具有一定的影响。论文在对声衰减及声阻抗的估计过程中,利用系统校验的方法,以蒸馏水作为标准液体,分别对液体系统传递函数和校验系统的传递函数进行辨识,克服容器壁对估计结果的影响。利用实验测试回波对生理盐水溶液的声衰减系数及声阻抗进行了估计,结果显示在测试频段内,声衰减随频率的二次方呈正比增长,与工程实验测量结果一致。5.利用参数化模型方法,分别对蔗糖溶液、牛奶、果醋饮品三种液态食品的超声回波进行了实验测试,对其声参数进行估计,获得了液体食品中的声参数与物理特性之间的定量关系式,研究结果为利用声参数估计方法对液体食品品质的分析提供了依据。本文的研究工作对超声无损检测技术在液态食品的品质分析中的应用具有定的意义。
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